Небесна сфера та її точки. Назви дуг на небесній сфері, пов'язані з положенням світил

Небесна сфера - це уявна сферична поверхня довільного радіусу, у центрі якої спостерігач. Небесні тіла проектуються на небесну сферу.

Через малі розміри Землі, в порівнянні з відстанями до зірок, спостерігачів, розташованих у різних місцях земної поверхні, можна вважати такими, що знаходяться в центрі небесної сфери. Насправді ніякої матеріальної сфери, що оточує Землю, у природі не існує. Небесні тіла рухаються в безмежному світовому просторі на різних відстанях від Землі. Ці відстані неймовірно великі, наш зір не в змозі їх оцінити, тому людині всі небесні тіла є однаково віддаленими.

Протягом року Сонце описує велике коло на тлі зоряного неба. Річний шлях Сонця небесною сферою називається екліптикою. Переміщаючись по екліптиці. Сонце в рівноденних точках двічі перетинає небесний екватор. Це буває 21 березня та 23 вересня.

Точка небесної сфери, яка залишається нерухомою під час добового руху зірок, умовно називається північним полюсом світу. Протилежна точка небесної сфери називається південним полюсом світу. Жителі північної півкулі його не бачать, оскільки він знаходиться під горизонтом. Вертикальна лінія, що проходить через спостерігача, перетинає небо над головою в точці зеніту і в діаметрально протилежній точці, яка називається надиром.

Вісь видимого обертання небесної сфери, що з'єднує обидва полюси світу і проходить через спостерігача, називають віссю світу. На горизонті під північним полюсом світу лежить точка півночі, діаметрально протилежна їй точка - точка півдня. Крапки сходу та заходулежать на лінії горизонту і відстоять від точок півночі та півдня на 90°.

Площина, що проходить через центр сфери перпендикулярно до осі світу, утворює площина небесного екватора, паралельну площині земного екватора. Площина небесного меридіана проходить через полюси світу, точки півночі та півдня, зеніт та надир.

Небесні координати

Система координат, у якій відлік здійснюється від площини екватора, називається екваторіальної. Кутова відстань світила від небесного екватора називається , яка змінюється від -90 ° до +90 °. Схиляннявважається позитивним на північ від екватора та негативним на південь. вимірюється кутом між площинами великих кіл, один з яких проходить через полюси світу і дане світило, другий - через полюси світу і точку весняного рівнодення, що лежить на екваторі.

Горизонтальні координати

Кутовою відстанню називається відстань між об'єктами на небі, що вимірюється кутом, який утворений променями, що йдуть до об'єкта з точки спостереження. Кутова відстань світила горизонту називають висотою світила над горизонтом. Положення світила щодо сторін горизонту називається азимутом. Відлік ведеться від півдня за годинниковою стрілкою. Азімуті висоту світила над обрієм вимірюють теодолітом. У кутових одиницях виражають як відстані між небесними об'єктами, а й розміри самих об'єктів. Кутова відстань полюса світу від горизонту дорівнює географічній широті території.

Висота світил у кульмінації

Проявлення проходження світил через небесний меридіан називаються кульмінаціями. Нижня кульмінація називається проходження світил через північну половину небесного меридіана. Явище проходження світилом південної половини небесного меридіана називається верхньою кульмінацією. Момент верхньої кульмінації центру Сонця називається справжнім полуднем, а момент нижньої кульмінації – справжньою опівночі. Проміжок часу між кульмінаціями - півдоби.

У незахідних світил над горизонтом видно обидві кульмінації, у висхідних та західних нижня кульмінаціявідбувається під горизонтом, нижчим від точки півночі. Кожна зірка кульмінуєу цій місцевості завжди на одній і тій же висоті над горизонтом, тому що її кутова відстань від полюса світу і від небесного екватора не змінюється. Сонце ж і Місяць змінюють висоту, на
якою вони кульмінують.

При вивченні виду зоряного неба користуються поняттям небесної сфери - уявної сфери довільного радіусу, до внутрішньої поверхні якої як би підвішені зірки. У центрі цієї сфери (у точці О) знаходиться спостерігач (рисунок 1). Крапка небесної сфери, розташована просто над головою спостерігача, називається зенітом, протилежна їй - надиром. Точки перетину уявної осі обертання Землі («осі світу») з небесною сферою називаються полюсами світу. Проведемо через центр небесної сфери три уявні площини: першу перпендикулярно до вертикальної лінії, другу перпендикулярно до осі світу і третю - через вертикальну лінію (через центр сфери та зеніт) та вісь світу (через полюс світу). У результаті на небесній сфері отримаємо три великі кола (центри яких збігаються із центром небесної сфери): горизонт, небесний екватор та небесний меридіан. Небесний меридіан перетинається з горизонтом у двох точках: точці півночі (N) та точка півдня (S), небесний екватор – у точці сходу (Е) та точці заходу (W). Лінія SN, що визначає напрямок «північ - південь», називається південною лінією.

Малюнок 1 - Основні точки та лінії небесної сфери; стрілкою вказано напрямок її обертання

Видиме річне пересування центру диска Сонця серед зірок відбувається за екліптикою - великому колу, площина якого складає з площиною небесного екватора кут е = 23 ° 27 / . З небесним екватором екліптика перетинається у двох точках (рисунок 2): у точці весняного рівнодення Т (20 або 21 березня) та у точці осіннього рівнодення (22 або 23 вересня).

Небесні координати

Як і на глобусі - зменшеної моделі Землі, на небесній сфері можна побудувати координатну сітку, що дозволяє визначити координати будь-якого світила. Роль земних меридіанів на небесній сфері грають кола відмін, що проходять від північного полюса світу до південного, замість земних паралелей на небесній сфері проводяться добові паралелі. Для кожного світила (рисунок 2) можна знайти:

1. Кутова відстань айого кола відмінювання від точки весняного рівнодення, виміряне вздовж небесного екватора проти добового руху небесної сфери (аналогічно тому, як вздовж земного екватора ми вимірюємо географічну довготу X- Кутова відстань меридіана спостерігача від нульового мерідіана Грінвіча). Ця координата називається прямим сходженням світила.

2. Кутова відстань світила бвід небесного екватора- відмінювання світила, виміряне вздовж кола відмін, що проходить через це світило (відповідає географічній широті).

Малюнок 2 – Положення екліптики на небесній сфері; стрілкою вказано напрямок видимого річного руху Сонця

Пряме сходження світила авимірюється в годинній мірі - в годинах (ч або h), хвилинах (м або т) та секундах (с або s) від 0 h до 24 h відмінювання б- у градусах, зі знаком "плюс" (від 0° до +90°) у напрямку від небесного екватора до північного полюса світу та зі знаком "мінус" (від 0° до -90°) - до південного полюса світу. У процесі добового обертання небесної сфери ці координати кожного світила залишаються незмінними.

Положення кожного світила на небесній сфері в даний час можна описати і двома іншими координатами: його азимутом і кутовою висотою над горизонтом. Для цього від зеніту через світило до горизонту проводимо подумки велике коло – вертикал. Азімут світила Авідраховується від точки півдня Sна захід до точки перетину вертикалу світила з горизонтом. Якщо ж відлік азимуту ведеться від точки півдня проти годинникової стрілки, йому приписують знак мінус. Висота світила hвідраховується вздовж вертикалу від горизонту до світила (рисунок 4). З малюнка 1 видно, що висота полюса світу над горизонтом дорівнює географічній широті спостерігача.

2.1.1. Основні площини, лінії та точки небесної сфери

Небесною сферою називається уявна сфера довільного радіусу з центром у вибраній точці спостереження, на поверхні якої розташовані світила так, як вони видно на небі в певний момент часу з точки простору. Щоб правильно уявляти астрономічне явище, необхідно вважати радіус небесної сфери набагато більше радіуса Землі (R сф >> R Землі), тобто думати, що спостерігач знаходиться в центрі небесної сфери, причому одна і та ж точка небесної сфери (одна і та ж зірка) видно з різних місць земної поверхні за паралельними напрямками.

Під небесним склепінням чи небом зазвичай розуміють внутрішню поверхню небесної сфери, яку проектуються небесні тіла (світила). Для спостерігача на Землі вдень на небі видно Сонце, іноді Місяць ще рідше Венера. У безхмарну ніч видно зірки, Місяць, планети, іноді комети та інші тіла. Зірок, видимих ​​неозброєним оком, близько 6000. Взаємне розташування зірок майже не змінюється через великі відстані до них. Небесні тіла, що відносяться до Сонячної системи, змінюють своє положення щодо зірок та одне одного, що визначається їх помітним кутовим та лінійним добовим та річним усуненням.

Небесне склепіння обертається як єдине ціле з усіма світилами, що знаходяться на ньому, біля уявної осі. Це обертання – добове. Якщо спостерігати добове обертання зірок у північній півкулі Землі та обличчям стояти до північного полюса, то обертання неба відбуватиметься проти годинникової стрілки.

Діаметр РР, навколо якого відбувається обертання небесної сфери, називається віссю світу. у південному полюсі світу Р". Вісь світу нахилена до площини математичного горизонту під кутом, що дорівнює географічній широті точки спостереження φ. Велике коло небесної сфери QWQ"E, площина якого перпендикулярна до осі світу, називається небесним екватором. Мале коло небесної сфери (bМb"), площина якого паралельна площині небесного екватора, називається небесною або добовою паралеллю світила М. Велике півколо небесної сфери РМР* годинним колом або колом відмінювання світила.

Небесний екватор перетинається з математичним горизонтом у двох точках: у точці сходу Е та у точці заходу W. Кола висот, що проходять через точки сходу та заходу, називаються першими вертикалами – східним та західним.

Велике коло небесної сфери PZQSP"Z"Q"N, площина якого проходить через прямовисну лінію і вісь світу, називається небесним меридіаном. у точці півночі N та у точці півдня S. Небесний меридіан перетинається з небесним екватором також у двох точках: у верхній точці екватора Q, яка ближче до зеніту, та у нижній точці екватора Q”, яка ближче до надиру.

2.1.2. Світила, їхня класифікація, видимі рухи.
Зірки, Сонце та Місяць, планети

Ще в давнину були помічені 5 світил, схожих на зірки, але «блукають» сузір'ями. Вони були названі планетами – «блукаючими світилами». Пізніше були відкриті ще 2 планети та велика кількість дрібніших небесних тіл (карликових планет, астероїдів).

Планети більшу частину часу переміщуються по зодіакальним сузір'ям із заходу Схід (прямий рух), але частину часу – зі Сходу захід (попятний рух).

Зміст статті

НЕБЕСНА СФЕРА.Коли ми спостерігаємо небо, всі астрономічні об'єкти здаються розташованими на куполоподібній поверхні, у центрі якої спостерігач. Цей уявний купол утворює верхню половину уявної сфери, яку називають «небесною сферою». Вона відіграє фундаментальну роль при вказівці положення астрономічних об'єктів.

Хоча Місяць, планети, Сонце та зірки розташовані на різних відстанях від нас, навіть найближчі з них знаходяться так далеко, що ми не в змозі на око оцінити їхню віддаленість. Напрямок на зірку не змінюється, коли ми рухаємося поверхнею Землі. (Щоправда, воно трохи змінюється при переміщенні Землі по орбіті, але помітити це паралактическое усунення можна лише з допомогою найточніших приладів.)

Нам здається, що небесна сфера обертається, оскільки світила сходять на сході та заходять на заході. Причиною цього є обертання Землі із заходу Схід. Звертання небесної сфери, що здається, відбувається навколо уявної осі, що продовжує земну вісь обертання. Ця вісь перетинає небесну сферу у двох точках, званих північним та південним «полюсами світу». Північний полюс світу лежить приблизно за градус від Полярної зірки, а поблизу південного полюса немає яскравих зірок.

Вісь обертання Землі нахилена приблизно на 23,5° щодо перпендикуляра, проведеного до площини земної орбіти (площини екліптики). Перетин цієї площини з небесною сферою дає коло – екліптику, видимий шлях Сонця протягом року. Орієнтація земної осі у просторі майже змінюється. Тому щороку в червні, коли північний кінець осі нахилений у бік Сонця, воно високо здіймається на небі в Північній півкулі, де дні стають довгими, а ночі короткими. Перемістившись на протилежний бік орбіти у грудні, Земля виявляється розгорнута до Сонця Південною півкулею, і ми на півночі дні стають короткими, а ночі – довгими.

Однак під впливом сонячного та місячного тяжіння орієнтація земної осі все ж таки поступово змінюється. Основний рух осі, викликаний впливом Сонця та Місяця на екваторіальне здуття Землі, називають прецесією. Внаслідок прецесії земна вісь повільно повертається навколо перпендикуляра до орбітальної площини, описуючи за 26 тис. років конус радіусом 23,5°. Тому через кілька століть полюс уже не буде поблизу Полярної зірки. Крім того, вісь Землі робить дрібні коливання, звані нутацією і пов'язані з еліптичність орбіт Землі та Місяця, а також з тим, що площина місячної орбіти трохи нахилена до площини земної орбіти.

Як ми знаємо, вид небесної сфери протягом ночі змінюється через обертання Землі навколо осі. Але навіть якщо спостерігати небо в один і той же час протягом року, його вигляд змінюватиметься через навернення Землі навколо Сонця. Для повного обороту орбітою на 360° Землі потрібно бл. 365 1/4 діб – приблизно за градусом на добу. До речі, доба, а точніше – сонячна доба – це час, за який Земля повертається один раз навколо осі до Сонця. Воно складається з часу, за який Земля здійснює оборот по відношенню до зірок («зоряна доба»), плюс невеликий час – близько чотирьох хвилин – необхідний для повороту, що компенсує орбітальне переміщення Землі за добу на один градус. Таким чином, у році прибл. 365 1/4 сонячної доби та прибл. 366 1/4 зіркових.

При спостереженні з певної точки Землі зірки, які розташовані поблизу полюсів, або завжди знаходяться над горизонтом, або ніколи не піднімаються над ним. Всі інші зірки сходять і заходять, причому щодня схід і захід кожної зірки відбувається на 4 хв раніше, ніж у попередній день. Деякі зірки та сузір'я піднімаються на небі вночі в зимовий час – ми називаємо їх «зимовими», а інші – «літніми».

Отже, вид небесної сфери визначається трьома часом: часом доби, що з обертанням Землі; порою року, пов'язаним із зверненням навколо Сонця; епохою, пов'язаною з прецесією (хоча останній ефект навряд чи помітиш «на око» навіть за 100 років).

Системи координат.

Існують різні способи вказувати положення об'єктів на небесній сфері. Кожен із них підходить до завдань певного типу.

Альт-азимутальна система.

Для вказівки положення об'єкта на небі стосовно навколишніх спостерігачів земних предметів використовують «альт-азимутальну», або «горизонтальну» систему координат. У ній вказують кутове відстань об'єкта над горизонтом, зване «заввишки», і навіть його «азимут» – кутове відстань вздовж горизонту від умовної точки до точки, що лежить під об'єктом. В астрономії азимут відраховують від точки півдня на захід, а в геодезії та навігації – від точки півночі на схід. Тому, перш ніж користуватись азимутом, потрібно з'ясувати, в якій системі він вказаний. Крапка піднебіння, що знаходиться прямо над головою, має висоту 90° і називається «зеніт», а діаметрально протилежна їй точка (під ногами) – «надир». Для багатьох завдань важливе велике коло небесної сфери, яке називається «небесним меридіаном»; він проходить через зеніт, надир та полюси світу, а горизонт перетинає у точках півночі та півдня.

Екваторіальна система.

Через обертання Землі зірки постійно переміщаються щодо горизонту та сторін світла, які координати в горизонтальній системі змінюються. Але для деяких завдань астрономії система координат має бути незалежною від положення спостерігача та часу доби. Таку систему називають «екваторіальною»; її координати нагадують географічні широти та довготи. У ній площина земного екватора, продовжена до перетину з небесною сферою, задає основне коло – «небесний екватор». «Схиляння» зірки нагадує широту та вимірюється її кутовою відстанню на північ чи південь від небесного екватора. Якщо зірка видно точно в зеніті, то широта місця спостереження дорівнює відмінюванню зірки. Географічній довготі відповідає «пряме сходження» зірки. Воно вимірюється на схід від точки перетину екліптики з небесним екватором, яку Сонце проходить у березні, у день початку весни у Північній півкулі та осені – у Південній. Цю важливу для астрономії точку називають "першою точкою Овна", або "точкою весняного рівнодення", і позначають знаком . Значення прямого сходження зазвичай вказують у годинах та хвилинах, вважаючи 24 год рівними 360°.

Екваторіальну систему використовують під час спостереження з телескопами. Телескоп встановлюють те щоб він міг обертатися зі сходу захід навколо осі, спрямованої полюс світу, компенсуючи цим обертання Землі.

Інші системи.

Для деяких цілей використовуються інші системи координат на небесній сфері. Наприклад, коли вивчають рух тіл у Сонячній системі, використовують систему координат, основною площиною якої є площина земної орбіти. Будівлю Галактики вивчають у системі координат, головною площиною якої служить екваторіальна площина Галактики, представлена ​​на небі кругом, що проходить уздовж Чумацького Шляху.

Порівняння систем координат.

Найважливіші деталі горизонтальної та екваторіальної систем показані на малюнках. У таблиці ці системи зіставлені з географічною системою координат.

Перехід із однієї системи до іншої.

Часто виникає необхідність за альт-азимутальними координатами зірки обчислити її екваторіальні координати, і навпаки. Для цього необхідно знати момент спостереження та становище спостерігача на Землі. Математично проблема вирішується за допомогою сферичного трикутника з вершинами в зеніті, північному полюсі світу та зірці Х; його називають «астрономічним трикутником».

Кут із вершиною у північному полюсі світу між меридіаном спостерігача та напрямком на якусь точку небесної сфери називають «годинним кутом» цієї точки; його вимірюють на захід від меридіана. Годинний кут точки весняного рівнодення, виражений у годинах, хвилинах та секундах, називають «зоряним часом» (Si. T. – sidereal time) у точці спостереження. А оскільки пряме сходження зірки - це теж полярний кут між напрямком на неї і на точку весняного рівнодення, то зоряний час дорівнює прямому сходження всіх точок, що лежать на меридіані спостерігача.

Таким чином, годинний кут будь-якої точки на небесній сфері дорівнює різниці зоряного часу та її прямого сходження:

Нехай широта спостерігача дорівнює j. Якщо дані екваторіальні координати зірки aі d, то її горизонтальні координати аі можна обчислити за такими формулами:

Можна вирішити і обернену задачу: за виміряними значеннями аі h, знаючи час, обчислити aі d. Схиляння dобчислюється прямо з останньої формули, потім з передостанньої обчислюється Н, а з першої, якщо відомий зоряний час, обчислюється a.

Вистава небесної сфери.

Багато століть вчені шукали найкращі способи подання небесної сфери для її вивчення чи демонстрації. Пропонувалися два типи моделей: двовимірні та тривимірні.

Небесну сферу можна зобразити на площині так само, як сферичну Землю зображують на картах. В обох випадках необхідно вибрати систему геометричної проекції. Першою спробою уявити ділянки небесної сфери площині були наскельні малюнки зоряних змін у печерах древніх людей. У наші дні існують різні зіркові карти, видані у вигляді мальованих або фотографічних зіркових атласів, що покривають все небо.

Стародавні китайські та грецькі астрономи представляли небесну сферу у вигляді моделі, відомої як «армілярна сфера». Вона складається з металевих кіл чи кілець, з'єднаних разом так, щоб показати найважливіші кола небесної сфери. Нині нерідко використовують зіркові глобуси, на яких відзначені положення зірок та основних кіл небесної сфери. У армілярних сфер і глобусів є загальний недолік: положення зірок і розмітка кіл нанесені на їх зовнішній, опуклій стороні, яку ми розглядаємо зовні, тоді як на небо ми дивимося «зсередини», і зірки нам здаються розміщеними на увігнутій стороні небесної сфери. Це іноді призводить до плутанини напрямків руху зірок та фігур сузір'їв.

Найбільш реалістичне уявлення небесної сфери дає планетарій. Оптична проекція зірок на півсферичний екран зсередини дозволяє дуже точно відтворити вид неба та всілякі рухи світил на ньому.

Нам здається, що всі зірки розташовані на деякій кульовій поверхні небосхилу і однаково віддалені від спостерігача. Насправді вони знаходяться від нас на різних відстанях, які такі величезні, що око не може помітити ці відмінності. Тому уявну кульову поверхню стали називати небесною сферою.

Небесна сфера- це уявна сфера довільного радіусу, центр якої залежно від розв'язуваного завдання поєднується з тією чи іншою точкою простору. Центр небесної сфери може бути обраний у місці спостереження (око спостерігача), в центрі Землі або Сонця і т. д. Поняттям небесної сфери користуються для кутових вимірювань, вивчення взаємного розташування та руху космічних об'єктів на небі.

На поверхню небесної сфери проектуються видимі положення всіх світил, а зручності вимірювань будують у ньому ряд точок і ліній. Наприклад, деякі із зірок «ковша» Великої Ведмедиці знаходяться далеко одна від одної, але для земного спостерігача вони проектуються на ту саму ділянку небесної сфери.

Пряма, що проходить через центр небесної сфери і збігається з напрямком нитки схилу в місці спостереження, називається прямовиснийабо вертикальною лінією. Вона перетинає небесну сферу в точках зеніту(верхня точка перетину прямовисної лінії з небесною сферою) та надира(Точка небесної сфери, протилежна зеніту). Площина, що проходить через центр небесної сфери і перпендикулярна до прямовисної лінії, називається площиною істинногоабо математичного горизонту.

Вертикальне коло, або вертикал світила, - це велике коло небесної сфери, що проходить через зеніт, світило та надір.

Вісь світу- Пряма, що проходить через центр небесної сфери паралельно осі обертання Землі, що перетинає небесну сферу в двох діаметрально протилежних точках.

Точка перетину осі світу з небесною сферою, поблизу якої знаходиться Полярна зірка, називається Північним полюсом світу, протилежна точка - Південним полюсом світу. Полярна зірка від Північного полюса світу на кутовому відстані близько 1 ° (точніше 44 ").

Велике коло, що проходить через центр небесної сфери і перпендикулярно до осі світу, називають небесним екватором. Він поділяє небесну сферу на дві частини: Північна півкуляз вершиною у Північному полюсі світу та Південне- з вершиною у Південному полюсі світу.

Коло відмінисвітила - велике коло небесної сфери, що проходить через полюси світу та світило.

Добова паралель- мале коло небесної сфери, площина якого перпендикулярна осі світу.

Велике коло небесної сфери, що проходить через точки зеніту, надиру та полюси світу, називається небесним меридіаном. Небесний меридіан перетинається із справжнім горизонтом у двох діаметрально протилежних точках. Точка перетину справжнього горизонту та небесного меридіана, найближча до Північного полюса світу, називається точкою півночі. Точка перетину справжнього горизонту та небесного меридіана, найближча до Південного полюса світу, називається точкою півдня. Лінія, що з'єднує точки півночі та півдня, називається полуденною лінією. Вона лежить на поверхні справжнього горизонту. У напрямку полуденної лінії падають тіні від предметів опівдні.

З небесним екватором істинний обрій також перетинається у двох діаметрально протилежних точках. точці сходуі точці заходу. Для спостерігача, що стоїть у центрі небесної сфери обличчям до точки півночі, точка сходу буде розташована праворуч, а точка заходу - ліворуч. Пам'ятаючи це правило, легко орієнтуватися біля.

Видимий річний шлях Сонця серед зірок називається екліптикою. У площині екліптики лежить шлях Землі навколо Сонця, тобто її орбіта. Вона нахилена до небесного екватора під кутом 23°27" і перетинає його в точках весняного (♈, близько 21 березня) та осіннього (♎, близько 23 вересня) рівнодення.